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锂离子电池LiNi_xCo_yMn_zO_2正极材料的成分、合成工艺和纳米铜掺杂研究

【摘要】:LiNixCoyMnzO_2正极材料由于具有较高的比容量和较好的高温稳定性而引起了广泛关注。化学成分对LiNixCoyMnzO_2的电化学性能有较大的影响,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O_2、LiNi0.4Co0.2Mn0.4O_2 和 LiNio.5Co0.2Mn0.3O_2 等是应用较广的正极材料。研究发现,Ni含量高的LiNixCoyMnzO_2比容量较高,但循环性能较差;Co和Mn含量较高的LiNixCoyMnzO_2则具有较好的循环性能,但比容量较差。一般工业化生产的LiNixCoyMnzO_2比容量在160mAh/g左右,离其理论比容量275mAh/g仍存在差距。本文通过改进成分、合成工艺和纳米Cu掺杂等方法来提高LiNixCoyMnzO_2正极材料的电化学性能。主要研究结果如下:(1)在850℃反应温度下,用固相反应法烧结8h分别制备了Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2、Lio.4Ni0.2Co0.4O_2 和 Li0.4Ni0.4Co0.2O_2 三种不同组分的正极材料。在0.2C倍率下,三种材料的首次放电比容量分别为152.1 mAh/g、138.7 mAh/g和137.2 mAh/g,在0.2C倍率下经50次充放电循环后的容量保持率分别为 47.6%、86.9%和 79.5%。(2)烧结温度对Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料的电化学性能有较大的影响。对烧结温度为800℃的Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料,在0.2C倍率下其比容量提升为163.9 mAh/g。对烧结温度为750℃的Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料,在0.2C倍率下经50次充放电循环后其容量保持率达到71%。(3)适当提升烧结过程的保温时间可提高Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料的循环性能。在800℃烧结温度下,当保温时间由8h增加至16h时,Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料在0.2C倍率下经30次充放电循环后的容量保持率由80.8%提升至83.7%。(4)将反应气氛由空气变为氧气时,Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料的电化学性能没有明显变化。(5)在Li_(0.6)Ni_(0.)2Co_(0.2)O_2正极材料中掺入少量的纳米Cu,可提高正极材料的比容量和循环性能。在烧结温度为800℃和保温时间为12h的条件下合成的 Li[(Ni0.6Co0.2Mn0.2)0.99Cu0.01]O_2正极材料,其比容量达到了 219.1 mAh/g;在0.2C倍率下,经50次循环充放电后其容量保持率为59.1%。

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